重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李 強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大地選煤工程（大同）有限責(zé)任公司，山西 大同 037003）

引言

目前，在礦井選煤技術(shù)中，選用重介質(zhì)選煤技術(shù)的比例在逐漸攀升，尤其是對(duì)于粗煤泥的高效回收分選，采用重介質(zhì)選煤方法具有很好的分選效果，且普遍適用性也很好，因此，應(yīng)用重介質(zhì)旋流器分選技術(shù)具有很好的發(fā)展前景[1-2]。重力分選中，在流體介質(zhì)中礦物顆粒的沉降屬于最基本的運(yùn)行形式，因物料本身的密實(shí)度、粒徑以及形狀、大小的不一樣，直接造成在流體介質(zhì)中的沉降速度不一樣，因此，重介質(zhì)旋流器是基于阿基米德機(jī)理實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的離心力場(chǎng)，并依靠離心沉降來完成對(duì)煤炭的分選工作[3-4]。此外，重介質(zhì)旋流器分選煤泥的特點(diǎn)有：其可以與浮選機(jī)配合使用，形成完整的煤炭分選體系；可以采用主選旋流器對(duì)介質(zhì)進(jìn)行濃縮分級(jí)，使進(jìn)入煤泥重介的粒度較細(xì)，細(xì)粒物料的分選精度也提高；其屬于物理分選技術(shù)，相比于浮選工藝，分選效果比較好；可運(yùn)用密度來進(jìn)行煤泥的重介分選，對(duì)密度大的細(xì)粒礦物物料的脫除效果更好[5]，因此，重介質(zhì)旋流器的分選原理簡(jiǎn)單、分選效率相比與其他設(shè)備要高，還可進(jìn)行連續(xù)操作，分選效果好。但是，由于傳統(tǒng)重介質(zhì)旋流器內(nèi)部存在一個(gè)不斷擺動(dòng)的空氣柱，不僅會(huì)形成湍流混合，還會(huì)發(fā)生降低分離效率和分離精度等現(xiàn)象[6]。本文對(duì)重介質(zhì)旋流器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取獨(dú)特的溢流中心管，不僅弱化了空氣柱，使湍流混合最小化，且提高分選精度，能達(dá)到很好的分選效果。

1 新型重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)組成及分選原理

對(duì)于傳統(tǒng)重介質(zhì)旋流器，其給料方式為切向或漸開線，每端都有出口，因空氣柱與反向渦流的作用影響，除會(huì)形成湍流混合外，還會(huì)造成煤泥的分選效果降低，往往達(dá)不到預(yù)期的分選效果[7]。本文對(duì)溢流管進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，并插入一定的深度，同時(shí)將重介質(zhì)旋流器的入料口與重產(chǎn)物的出口截面都設(shè)計(jì)為圓形。此外，為便于后期研究，又將其化圓為方，并保證其相同的截面積和入口流量。其中，傳統(tǒng)和優(yōu)化后介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)

圖2 優(yōu)化后重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)

對(duì)于優(yōu)化后的重介質(zhì)旋流器，其分選原理是將需要分選的煤介和重介質(zhì)懸浮液進(jìn)行混合，然后將得到的混合物從入料口沿切向方向送入旋流器中。漿料混合作用形成的離心力作用于漿料中的顆粒，并在流體曳力、離心力和湍流擴(kuò)散等的作用下，依據(jù)密度大小對(duì)物料顆粒完成分離。當(dāng)弱化空氣柱時(shí)，物料依據(jù)密度徑向分成兩塊，可使因流場(chǎng)干擾作用產(chǎn)生的湍流混合達(dá)到最低化[8-9]。所以，高于重介質(zhì)密度的物料，被移至位于緊靠旋流器器壁的方位，以螺旋流動(dòng)方式沿著器壁向下移動(dòng)，直至經(jīng)位于旋流器底端的重產(chǎn)物出口排出；小于重介質(zhì)密度的物料，向中間方位進(jìn)行移動(dòng)，最后經(jīng)旋流器的輕產(chǎn)物出口排出，因此，物料可被分成輕、重產(chǎn)品兩類。因輕、重產(chǎn)物的出料口均位于同一方位，這樣就降低了傳統(tǒng)旋流器出現(xiàn)的物料顆粒振動(dòng)滯留現(xiàn)象[10]。

2 重介質(zhì)旋流器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

本文中優(yōu)化后的重介質(zhì)旋流器，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：直徑為300 mm，進(jìn)料口方形尺寸是45 mm×45 mm，筒體長(zhǎng)度850 mm。試驗(yàn)中，選用的細(xì)粒煤粒徑小于等于2 mm，且小于0.5 mm 的礦物顆粒約占總數(shù)的1/4 左右，并且僅加入磁鐵礦粉，在入料口位置處安裝壓力表測(cè)量入料物料的壓力，電磁流量計(jì)測(cè)量流量大小，還采用密度壺儀器檢測(cè)各個(gè)出口位置的密度值。

首先對(duì)細(xì)粒煤的分配進(jìn)行分析，得到圖3 所示的曲線，從圖3 中可看出，物料的分選密度δp是1.34 g/cm3，與入料密度相比約小0.11 g/cm3，且結(jié)果也與傳統(tǒng)旋流器不同，采用新型旋流器分選的密度始終小于進(jìn)料口密度。此外，從圖3 中還可看出，可能偏差Ep值是0.04，對(duì)細(xì)粒煤的分選精度也比較高，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的旋流器，這就表明，應(yīng)用該重介質(zhì)旋流器對(duì)細(xì)粒煤的分選效果比較好。

圖3 細(xì)粒煤（粒徑小于等于2 mm）分配曲線

因?yàn)閮?yōu)化后的旋流器使空氣柱弱化，對(duì)細(xì)粒煤的分離精度好，可使因隨機(jī)偏心運(yùn)動(dòng)的空氣柱產(chǎn)生的湍流混合最低化。且輕產(chǎn)物出口的應(yīng)用設(shè)計(jì)也降低了傳統(tǒng)重介質(zhì)旋流器中產(chǎn)生的向上、向下渦流相互間的剪切作用引起的湍流混合，湍流混合降低后，物料的分選效果就會(huì)更好。

為深入研究不同入料壓力對(duì)粗煤泥分選效果的影響，本文選取兩種不同入料壓力為0.035 MPa 和0.05 MPa，且只加入磁鐵礦粉，入料密度均為1.5 g/cm3，并采用密度示蹤劑得到圖4 和圖5 所示的分配曲線。在試驗(yàn)中，在位于輕重產(chǎn)物的出口處，加入入料介質(zhì)示蹤劑，對(duì)其進(jìn)行回收利用。

圖4 入料壓力是0.035 MPa 時(shí)，得到的密度分配變化曲線

圖5 入料壓力是0.05 MPa 時(shí)，得到的密度分配變化曲線

從圖4 和圖5 中均可看出，入料壓力的不同不僅對(duì)分選密度產(chǎn)生影響，也對(duì)可能偏差Ep產(chǎn)生了影響，當(dāng)入料壓力是0.035 MPa 時(shí)，分選密度是1.36 g/cm3，Ep值是0.06；當(dāng)入料壓力是0.05 MPa 時(shí)，分選密度降低至1.32 g/cm3，Ep值減小為0.017。由此可見，只有當(dāng)入料壓力大于某個(gè)值時(shí)才能保證礦物顆粒的快速分選。且在進(jìn)料口壓力是0.05 MPa 時(shí)，分選密度和入料密度相差高達(dá)約0.18 g/cm3，表明該入料壓力下，物料能夠有效地分離。相比于常規(guī)旋流器，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的旋流器存在顯著的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)為：在低密度分選的前提下，不會(huì)影響介質(zhì)的穩(wěn)定性，這是由于入料介質(zhì)的密度遠(yuǎn)大于分選密度，而對(duì)常規(guī)旋流器，由于其入料介質(zhì)的密度比分選密度要小，當(dāng)在分選密度較低的情形下，會(huì)引起入料介質(zhì)穩(wěn)定性較低的情形。此外，從兩個(gè)圖中還可看出，可能偏差Ep值及分選密度都隨著入料壓力的增大而減小。

3 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)重介質(zhì)旋流器的分離效率和分離精度比較低的現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)新型重介質(zhì)旋流器，采用獨(dú)特的溢流中心管，不僅降低了物流分選中的流體紊亂，且弱化了中間空氣柱，對(duì)直徑是300 mm 的旋流器進(jìn)行研究，結(jié)論如下：

1）新型重介質(zhì)旋流器，不僅減少了湍流混合，且提高了分離精度。對(duì)粒徑小于等于2 mm 的細(xì)粒煤分選時(shí)，得到的可能偏差Ep值是0.04。

2）入料壓力會(huì)直接影響分選機(jī)的分選效果，且分選密度和可能偏差Ep值均隨著入料壓力的增大而降低。